CN110657808B - 一种机载光电吊舱有源目标定位方法及系统 - Google Patents

一种机载光电吊舱有源目标定位方法及系统 Download PDF

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CN110657808B CN201910982052.6A CN201910982052A CN110657808B CN 110657808 B CN110657808 B CN 110657808B CN 201910982052 A CN201910982052 A CN 201910982052A CN 110657808 B CN110657808 B CN 110657808B
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Abstract

本发明公开了一种机载光电吊舱有源目标定位方法及系统，该方法包括：确定一个合作目标点，并获取合作目标点的经纬度；根据合作目标点的经纬度对后续待测目标定位过程中的吊舱方位角和吊舱高低角进行补偿；根据补偿后数据，采用目标单点定位算法确定tk‑1和tk时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure DDA0002235513260000011
和
Figure DDA0002235513260000012
根据
Figure DDA0002235513260000013
和
Figure DDA0002235513260000014
确定tk‑1时刻待测目标的速度；根据tk‑1时刻待测目标的速度和tk‑1时刻待测目标的坐标
Figure DDA0002235513260000015
确定tk‑1时刻待测目标的状态Xk‑1，根据待测目标的状态Xk‑1，利用卡尔曼滤波方法对tk时刻待测目标的状态进行估计，得到tk时刻待测目标的估计状态
Figure DDA0002235513260000016
根据上一时刻待测目标的估计状态，利用卡尔曼滤波方法对下一时刻的状态进行估计。通过本发明的上述方法实现对目标实时的高精度定位。

Description

一种机载光电吊舱有源目标定位方法及系统
技术领域
本发明涉及目标定位技术领域，特别是涉及一种机载光电吊舱有源目标定位方法及系统。
背景技术
目标定位的主要任务是求取目标在大地坐标系下的三维坐标。在目标定位过程中，视频图像和遥测信息经数据链系统传输至地面站显示，操纵手通过操纵杆及其它指令控制稳定平台和摄像系统搜索侦察目标，当感兴趣的目标出现在画面上时，可以锁定并跟踪目标，使目标处于画面中心，冻结图像并将飞机平台的航空姿态测量数据、飞机接收GNSS导航信息、机载光电侦测平台自身的视轴位置、机载光电侦测平台的激光测距值发送至地面站计算机，地面计算机通过一系列的坐标变换，计算出目标的三维坐标。
目前常用的方法主要有两种：一种是利用目标单点定位算法对目标进行定位；另一种是递推最小二乘多点测距定位算法。
目标单点定位算法解算过程涉及到多个坐标系的转换，结合无人机姿态角、光电平台姿态角，计算出目标位置坐标，然而这种方法引入了无人机姿态角、光电平台姿态角，角度测量仪器存在测量误差，角度误差对定位误差的贡献极大，无人机姿态角误差以及光电平台姿态角误差二者会直接传递到对目标的定位误差上，且不易测量和消除，最终导致定位精度不高，计算出的目标定位结果误差不稳定且随机性大。
递推最小二乘多点测距定位算法，通过利用无人机航线上多个航点对目标进行测距，得到的测距信息作为测量信息进而计算得到目标的定位结果，这种方法称为最小二乘多点定位算法，最小二乘多点测距定位算法可进一步降低不良测量点对定位结果的影响，基于递推最小二乘多点测距算法对目标进行定位估计时，在距离近且目标为静态时定位精度高，误差可以控制在10m以内，但该方法存无法对动态目标进行定位以及测速的问题。
发明内容
基于此，本发明提供一种机载光电吊舱有源目标定位方法及系统，实现对目标的实时定位。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种机载光电吊舱有源目标定位方法，所述光电吊舱安装于无人机上，利用所述无人机对目标进行监测，并将监测数据发送至地面监控中心，所述地面监控中心通过所述监测数据对所述目标进行位置解算，所述目标定位方法包括：
确定一个合作目标点，并获取所述合作目标点的经纬度；
根据所述合作目标点的经纬度对后续待测目标定位过程中的吊舱方位角和吊舱高低角进行补偿；
根据补偿后的吊舱方位角和吊舱高低角，采用目标单点定位算法确定tk-1时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure BDA0002235513240000021
和tk时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure BDA0002235513240000022
k＝1,2,3...；
根据tk-1时刻待测目标的坐标
Figure BDA0002235513240000023
和tk时刻待测目标的坐标
Figure BDA0002235513240000024
确定tk-1时刻待测目标的速度；
根据所述tk-1时刻待测目标的速度和所述tk-1时刻待测目标的坐标
Figure BDA0002235513240000025
确定tk-1时刻待测目标的状态Xk-1，所述待测目标的状态包括待测目标的位置和待测目标的速度；
根据所述tk-1时刻待测目标的状态Xk-1，利用卡尔曼滤波方法对tk时刻待测目标的状态进行估计，得到tk时刻待测目标的估计状态
Figure BDA0002235513240000026
根据上一时刻待测目标的估计状态，利用卡尔曼滤波方法对下一时刻的状态进行估计，实现目标定位。
可选的，所述根据所述合作目标点的经纬度对后续待测目标定位过程中的吊舱方位角和吊舱高低角进行补偿，具体包括：
根据所述合作目标点确定无人机校飞路线，并在指定测量点对所述合作目标点进行观测，获取无人机经纬度和无人机姿态角；
根据所述无人机经纬度和所述无人机姿态角，确定地理坐标系N到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000027
和摄像机坐标系C到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000028
获取合作目标在摄像机坐标系下的坐标TC、机载光电平台视轴方位角和机载光电平台视轴高低角；
根据所述机载光电平台视轴方位角和所述机载光电平台视轴高低角确定合作目标在导航坐标系下的坐标TN；
根据所述地理坐标系N到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000031
所述摄像机坐标系C到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000032
所述合作目标在导航坐标系下的坐标TN和所述合作目标在摄像机坐标系下的坐标TC，确定吊舱理论方位角和吊舱理论高低角；
获取合作目标下吊舱实际方位角和吊舱实际高低角，分别记为第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角；
将所述吊舱理论方位角和吊舱理论高低角分别与所述第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角相应作差，得到吊舱方位角误差和吊舱高低角误差；
获取待测目标下吊舱实际方位角和吊舱实际高低角，分别记为第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角；
将所述吊舱方位角误差和所述吊舱高低角误差分别与所述第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角相应相加，得到补偿吊舱方位角和补偿吊舱高低角。
可选的，所述根据上一时刻待测目标的估计状态，利用卡尔曼滤波方法对下一时刻的状态进行估计，具体包括：
根据所述tk时刻待测目标的估计状态
Figure BDA0002235513240000033
对tk+1时刻待测目标的状态进行预测，得到tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure BDA0002235513240000034
获取tk时刻的协方差Pk；
根据所述tk时刻的协方差Pk对tk+1时刻的协方差进行预测，确定tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k；
获取tk+1时刻的测量矩阵Hk+1；
根据所述tk+1时刻的测量矩阵、所述tk时刻的协方差Pk和所述tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k，确定tk+1时刻的滤波增益Yk+1；
根据所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1、所述tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure BDA0002235513240000035
和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻待测目标的估计状态
Figure BDA0002235513240000036
可选的，所述根据所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1、所述tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure BDA0002235513240000041
和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻待测目标的估计状态
Figure BDA0002235513240000042
步骤之后还包括：
根据所述tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k、所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻的协方差Pk+1。
一种机载光电吊舱有源目标定位系统，所述光电吊舱安装于无人机上，利用所述无人机对目标进行监测，并将监测数据发送至地面监控中心，所述地面监控中心通过所述监测数据对所述目标进行位置解算，所述目标定位系统包括：
经纬度获取模块，用于确定一个合作目标点，并获取所述合作目标点的经纬度；
补偿模块，用于根据所述合作目标点的经纬度对后续待测目标定位过程中的吊舱方位角和吊舱高低角进行补偿；
待测目标坐标确定模块，用于根据补偿后的吊舱方位角和吊舱高低角，采用目标单点定位算法确定tk-1时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure BDA0002235513240000043
和tk时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure BDA0002235513240000044
k＝1,2,3...；
待测目标速度确定模块，用于根据tk-1时刻待测目标的坐标
Figure BDA0002235513240000045
和tk时刻待测目标的坐标
Figure BDA0002235513240000046
确定tk-1时刻待测目标的速度；
待测目标状态确定模块，用于根据所述tk-1时刻待测目标的速度和所述tk-1时刻待测目标的坐标
Figure BDA0002235513240000047
确定tk-1时刻待测目标的状态Xk-1，所述待测目标的状态包括待测目标的位置和待测目标的速度；
目标定位模块，用于根据所述tk-1时刻待测目标的状态Xk-1，利用卡尔曼滤波方法对tk时刻待测目标的状态进行估计，得到tk时刻待测目标的估计状态
Figure BDA0002235513240000048
根据上一时刻待测目标的估计状态，利用卡尔曼滤波方法对下一时刻的状态进行估计，实现目标定位。
可选的，补偿模块，具体包括：
无人机经纬度和无人机姿态角获取单元，用于根据所述合作目标点确定无人机校飞路线，并在指定测量点对所述合作目标点进行观测，获取无人机经纬度和无人机姿态角；
旋转确定单元，用于根据所述无人机经纬度和所述无人机姿态角，确定地理坐标系N到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000049
和摄像机坐标系C到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000051
数据获取单元，用于获取合作目标在摄像机坐标系下的坐标TC、机载光电平台视轴方位角和机载光电平台视轴高低角；
合作目标坐标确定单元，用于根据所述机载光电平台视轴方位角和所述机载光电平台视轴高低角确定合作目标在导航坐标系下的坐标TN；
吊舱理论方位角和吊舱理论高低角确定单元，用于根据所述地理坐标系N到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000052
所述摄像机坐标系C到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000053
所述合作目标在导航坐标系下的坐标TN和所述合作目标在摄像机坐标系下的坐标TC，确定吊舱理论方位角和吊舱理论高低角；
第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角获取单元，用于获取合作目标下吊舱实际方位角和吊舱实际高低角，分别记为第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角；
吊舱方位角误差和吊舱高低角误差确定单元，用于将所述吊舱理论方位角和吊舱理论高低角分别与所述第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角相应作差，得到吊舱方位角误差和吊舱高低角误差；
第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角获取单元，用于获取待测目标下吊舱实际方位角和吊舱实际高低角，分别记为第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角；
补偿吊舱方位角和补偿吊舱高低角确定单元，用于将所述吊舱方位角误差和所述吊舱高低角误差分别与所述第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角相应相加，得到补偿吊舱方位角和补偿吊舱高低角。
可选的，目标定位模块，具体包括：
待测目标状态预测单元，用于根据所述tk时刻待测目标的估计状态
Figure BDA0002235513240000054
对tk+1时刻待测目标的状态进行预测，得到tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure BDA0002235513240000055
协方差获取单元，用于获取tk时刻的协方差Pk；
协方差预测单元，用于根据所述tk时刻的协方差Pk对tk+1时刻的协方差进行预测，确定tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k；
测量矩阵获取单元，用于获取tk+1时刻的测量矩阵Hk+1；
滤波增益确定单元，用于根据所述tk+1时刻的测量矩阵、所述tk时刻的协方差Pk和所述tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k，确定tk+1时刻的滤波增益Yk+1；
根据所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1、所述tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure BDA0002235513240000061
和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻待测目标的估计状态
Figure BDA0002235513240000062
可选的，所述目标定位模块还包括：
协方差确定单元，用于根据所述tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k、所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻的协方差Pk+1。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明利用合作目标点对确定无人机校飞路线，对后续待测目标定位过程中的吊舱方位角和吊舱高低角进行补偿，再利用卡尔曼滤波算法进行后续目标位置解算，从而实现对目标实时的高精度定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种机载光电吊舱有源目标定位方法的流程图；
图2为本发明实施例无人机目标定位示意图；
图3为本发明实施例一种机载光电吊舱有源目标定位系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种机载光电吊舱有源目标定位方法及系统，实现对目标的实时定位。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
传统的目标单点定位算法解算过程涉及到多个坐标系的转换，然后，结合无人机姿态角、光电平台姿态角，计算出目标位置坐标，图2为本发明实施例无人机目标定位示意图，如图2所示，机载光电吊舱视场中心锁定目标，激光光束照射目标，获得无人机与目标的距离(r)以及吊舱的高低角(beta)和方位角(alpha)，则目标在ECEF坐标系经过一系列坐标转换下，满足下列关系：
Figure BDA0002235513240000071
其中，Tg为目标在ECEF坐标系下的坐标，Tc为目标在摄像机坐标系下的坐标，Pg为无人机在ECEF(笛卡尔)坐标系下的坐标，
Figure BDA0002235513240000072
为大地直角坐标系G到地理坐标系N的旋转，
Figure BDA0002235513240000073
为地理坐标系N到载机坐标系B的旋转，
Figure BDA0002235513240000074
为载机坐标系B到基座坐标系T的旋转，
Figure BDA0002235513240000075
为基座坐标系T到摄像机坐标系C的旋转。
Figure BDA0002235513240000076
Figure BDA0002235513240000077
Figure BDA0002235513240000078
Figure BDA0002235513240000079
式中各个矩阵定义如下：
Figure BDA00022355132400000710
Figure BDA00022355132400000711
Figure BDA00022355132400000712
Figure BDA00022355132400000713
Figure BDA0002235513240000081
Figure BDA0002235513240000082
Figure BDA0002235513240000083
Figure BDA0002235513240000084
Figure BDA0002235513240000085
Figure BDA0002235513240000086
Figure BDA0002235513240000087
Figure BDA0002235513240000088
其中，B0为无人机纬度，L0为无人机经度，yaw为无人机航向角，roll为无人机滚转角，pitch为无人机俯仰角，deta_yaw为吊舱与无人机航向安装误差角，deta_roll为吊舱与无人机滚转安装误差角，deta_pitch为吊舱与无人机俯仰安装误差角，deta_yaw_v为振动引起的吊舱航向误差角，deta_roll_v为振动引起的吊舱滚转误差角，deta_pitch_v为振动引起的吊舱俯仰误差角，alpha为吊舱方位角(alpha∈[0,2π))，beta为吊舱高低角
Figure BDA0002235513240000091
图1为本发明实施例一种机载光电吊舱有源目标定位方法的流程图。如图1所示，实施例一种机载光电吊舱有源目标定位方法，所述光电吊舱安装于无人机上，利用所述无人机对目标进行监测，并将监测数据发送至地面监控中心，所述地面监控中心通过所述监测数据对所述目标进行位置解算，所述目标定位方法包括：
S1：确定一个合作目标点，并获取所述合作目标点的经纬度。
S2：根据所述合作目标点的经纬度对后续待测目标定位过程中的吊舱方位角和吊舱高低角进行补偿。
S2具体包括：
根据所述合作目标点确定无人机校飞路线，并在指定测量点对所述合作目标点进行观测，获取无人机经纬度和无人机姿态角。
根据所述无人机经纬度和所述无人机姿态角，确定地理坐标系N到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000092
和摄像机坐标系C到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000093
获取合作目标在摄像机坐标系下的坐标TC、机载光电平台视轴方位角和机载光电平台视轴高低角。
根据所述机载光电平台视轴方位角和所述机载光电平台视轴高低角确定合作目标在导航坐标系下的坐标TN。
根据所述地理坐标系N到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000094
所述摄像机坐标系C到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000095
所述合作目标在导航坐标系下的坐标TN和所述合作目标在摄像机坐标系下的坐标TC，确定吊舱理论方位角和吊舱理论高低角。
具体的，合作目标在摄像机坐标系下的坐标TC和合作目标在导航坐标系下坐标TN两个向量存在如下关系：
Figure BDA0002235513240000096
假设TC＝[0 1 0]，
则TN＝[sin(alpha_v)·cos(beta_v)cos(alpha_v)·cos(beta_v)sin(beta_v)]将式(2)展开可得：
Figure BDA0002235513240000101
令左边为TB，由式(3)右边的公式可得吊舱理论方位角和吊舱理论高低角的计算公式：
Figure BDA0002235513240000102
其中，TB是合作目标在机体坐标系下的坐标，alpha0表示吊舱理论方位角，beta0表示吊舱理论高低角。
获取合作目标下吊舱实际方位角和吊舱实际高低角，分别记为第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角。
将所述吊舱理论方位角和吊舱理论高低角分别与所述第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角相应作差，得到吊舱方位角误差和吊舱高低角误差。
计算公式如下：
Figure BDA0002235513240000103
其中，alphap0表示第一吊舱实际方位角，betap0表示第一吊舱实际高低角，δalpha表示吊舱方位角误差，δbeta表示吊舱高低角误差。
获取待测目标下吊舱实际方位角和吊舱实际高低角，分别记为第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角。
将所述吊舱方位角误差和所述吊舱高低角误差分别与所述第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角相应相加，得到补偿吊舱方位角和补偿吊舱高低角。
Figure BDA0002235513240000104
其中，alphap1表示第二吊舱实际方位角，betap1表示第二吊舱实际高低角，alpha1表示补偿吊舱方位角，beta1表示补偿吊舱高低角。
S3：根据补偿后的吊舱方位角和吊舱高低角，采用目标单点定位算法确定tk-1时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure BDA0002235513240000111
和tk时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure BDA0002235513240000112
k＝1,2,3...。
具体的，根据补偿后的吊舱方位角和吊舱高低角，采用公式(1)求解tk-1时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure BDA0002235513240000113
和tk时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标Tgk。
S4：根据tk-1时刻待测目标的坐标
Figure BDA0002235513240000114
和tk时刻待测目标的坐标
Figure BDA0002235513240000115
确定tk-1时刻待测目标的速度。
S5：根据所述tk-1时刻待测目标的速度和所述tk-1时刻待测目标的坐标
Figure BDA0002235513240000116
确定tk-1时刻待测目标的状态Xk-1，所述待测目标的状态包括待测目标的位置和待测目标的速度。
机载光电平台对目标绕飞过程中对目标进连续测距，利用线性卡尔曼滤波算法对待测目标状态进行滤波处理，获得逼近真实值的结果。
卡尔曼滤波器为线性滤波器，模型必须为线性的，设系统的状态方程为
Figure BDA0002235513240000117
其中，Xk-1为tk-1时刻待测目标的状态，Φk/k-1为待测目标状态转移矩阵，
Figure BDA0002235513240000118
为tk时刻待测目标的预测状态。
选取待测目标ECEF坐标系下的位置(xt,yt,zt)以及速度(vx,vy,vz)为状态，待测目标的状态X＝(xt,yt,zt,vx,vy,vz)T，待测目标在ECEF坐标系下的位置为量测Tg＝(xt,yt,zt)T。由于假设待测目标运动状态为匀速直线运动，因此状态方程可写为
Figure BDA0002235513240000119
量测方程
Figure BDA0002235513240000121
其中，Hk为测量测距，
Figure BDA0002235513240000122
待测目标在ECEF坐标系下的位置。
S6：根据所述tk-1时刻待测目标的状态Xk-1，利用卡尔曼滤波方法对tk时刻待测目标的状态进行估计，得到tk时刻待测目标的估计状态
Figure BDA0002235513240000123
根据上一时刻待测目标的估计状态，利用卡尔曼滤波方法对下一时刻的状态进行估计，实现目标定位。
S6具体包括：
根据所述tk时刻待测目标的估计状态
Figure BDA0002235513240000124
对tk+1时刻待测目标的状态进行预测，得到tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure BDA0002235513240000125
Figure BDA0002235513240000126
获取tk时刻的协方差Pk；
根据所述tk时刻的协方差Pk对tk+1时刻的协方差进行预测，确定tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k；
Pk+1/k＝Φk+1/kPkΦk+1/k+ΓkQkΓk
其中，Qk为过程噪声，用于调整系统建模的不准确性，Γk系统噪声分配矩阵。
获取tk+1时刻的测量矩阵Hk+1。
根据所述tk+1时刻的测量矩阵、所述tk时刻的协方差Pk和所述tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k，确定tk+1时刻的滤波增益Yk+1。
Figure BDA0002235513240000127
其中，Hk+1为测量矩阵，Rk+1为测量噪声，用于调整测量信息权重。
Figure BDA0002235513240000128
为测量矩阵的转置矩阵，Yk+1为通过方程计算得到的最优kalman增益。
根据所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1、所述tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure BDA0002235513240000129
和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻待测目标的估计状态
Figure BDA00022355132400001210
具体计算公式为：
Figure BDA0002235513240000131
可选的，所述根据所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1、所述tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure BDA0002235513240000132
和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻待测目标的估计状态
Figure BDA0002235513240000133
步骤之后还包括：
根据所述tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k、所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻的协方差Pk+1。
具体计算公式为：Pk+1＝(I-Yk+1Hk+1)Pk+1/k。
通过本发明实施例的上述方法即可实时计算出待测目标在ECEF坐标系下的速度和位置。其中待测目标固定的精度可达20m以内，移动目标定位为40m以内，并可实现对移动目标运动趋势的跟踪定位。
图3为本发明实施例一种机载光电吊舱有源目标定位系统的结构示意图，如图3所示，一种机载光电吊舱有源目标定位系统，所述光电吊舱安装于无人机上，利用所述无人机对目标进行监测，并将监测数据发送至地面监控中心，所述地面监控中心通过所述监测数据对所述目标进行位置解算，所述目标定位系统包括：
经纬度获取模块201，用于确定一个合作目标点，并获取所述合作目标点的经纬度。
补偿模块202，用于根据所述合作目标点的经纬度对后续待测目标定位过程中的吊舱方位角和吊舱高低角进行补偿。
待测目标坐标确定模块203，用于根据补偿后的吊舱方位角和吊舱高低角，采用目标单点定位算法确定tk-1时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure BDA0002235513240000134
和tk时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure BDA0002235513240000135
k＝1,2,3...。
待测目标速度确定模块204，用于根据tk-1时刻待测目标的坐标
Figure BDA0002235513240000136
和tk时刻待测目标的坐标
Figure BDA0002235513240000137
确定tk-1时刻待测目标的速度；
待测目标状态确定模块205，用于根据所述tk-1时刻待测目标的速度和所述tk-1时刻待测目标的坐标
Figure BDA0002235513240000138
确定tk-1时刻待测目标的状态Xk-1，所述待测目标的状态包括待测目标的位置和待测目标的速度。
目标定位模块206，用于根据所述tk-1时刻待测目标的状态Xk-1，利用卡尔曼滤波方法对tk时刻待测目标的状态进行估计，得到tk时刻待测目标的估计状态
Figure BDA0002235513240000141
根据上一时刻待测目标的估计状态，利用卡尔曼滤波方法对下一时刻的状态进行估计，实现目标定位。
补偿模块202，具体包括：
无人机经纬度和无人机姿态角获取单元，用于根据所述合作目标点确定无人机校飞路线，并在指定测量点对所述合作目标点进行观测，获取无人机经纬度和无人机姿态角。
旋转确定单元，用于根据所述无人机经纬度和所述无人机姿态角，确定地理坐标系N到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000142
和摄像机坐标系C到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000143
数据获取单元，用于获取合作目标在摄像机坐标系下的坐标TC、机载光电平台视轴方位角和机载光电平台视轴高低角。
合作目标坐标确定单元，用于根据所述机载光电平台视轴方位角和所述机载光电平台视轴高低角确定合作目标在导航坐标系下的坐标TN。
吊舱理论方位角和吊舱理论高低角确定单元，用于根据所述地理坐标系N到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000144
所述摄像机坐标系C到载机坐标系B的旋转
Figure BDA0002235513240000145
所述合作目标在导航坐标系下的坐标TN和所述合作目标在摄像机坐标系下的坐标TC，确定吊舱理论方位角和吊舱理论高低角。
第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角获取单元，用于获取合作目标下吊舱实际方位角和吊舱实际高低角，分别记为第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角。
吊舱方位角误差和吊舱高低角误差确定单元，用于将所述吊舱理论方位角和吊舱理论高低角分别与所述第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角相应作差，得到吊舱方位角误差和吊舱高低角误差。
第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角获取单元，用于获取待测目标下吊舱实际方位角和吊舱实际高低角，分别记为第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角。
补偿吊舱方位角和补偿吊舱高低角确定单元，用于将所述吊舱方位角误差和所述吊舱高低角误差分别与所述第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角相应相加，得到补偿吊舱方位角和补偿吊舱高低角。
目标定位模块206，具体包括：
待测目标状态预测单元，用于根据所述tk时刻待测目标的估计状态
Figure BDA0002235513240000151
对tk+1时刻待测目标的状态进行预测，得到tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure BDA0002235513240000152
协方差获取单元，用于获取tk时刻的协方差Pk。
协方差预测单元，用于根据所述tk时刻的协方差Pk对tk+1时刻的协方差进行预测，确定tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k。
测量矩阵获取单元，用于获取tk+1时刻的测量矩阵Hk+1。
滤波增益确定单元，用于根据所述tk+1时刻的测量矩阵、所述tk时刻的协方差Pk和所述tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k，确定tk+1时刻的滤波增益Yk+1。
根据所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1、所述tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure BDA0002235513240000153
和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻待测目标的估计状态
Figure BDA0002235513240000154
可选的，所述目标定位模块206还包括：
协方差确定单元，用于根据所述tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k、所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻的协方差Pk+1。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种机载光电吊舱有源目标定位方法，所述光电吊舱安装于无人机上，利用所述无人机对目标进行监测，并将监测数据发送至地面监控中心，其特征在于，所述地面监控中心通过所述监测数据对所述目标进行位置解算，所述目标定位方法包括：
确定一个合作目标点，并获取所述合作目标点的经纬度；
根据所述合作目标点的经纬度对后续待测目标定位过程中的吊舱方位角和吊舱高低角进行补偿；
所述根据所述合作目标点的经纬度对后续待测目标定位过程中的吊舱方位角和吊舱高低角进行补偿，具体包括：
根据所述合作目标点确定无人机校飞路线，并在指定测量点对所述合作目标点进行观测，获取无人机经纬度和无人机姿态角；
根据所述无人机经纬度和所述无人机姿态角，确定地理坐标系N到载机坐标系B的旋转
Figure FDA0002813489950000011
和摄像机坐标系C到载机坐标系B的旋转
Figure FDA0002813489950000012
获取合作目标在摄像机坐标系下的坐标TC、机载光电平台视轴方位角和机载光电平台视轴高低角；
根据所述机载光电平台视轴方位角和所述机载光电平台视轴高低角确定合作目标在导航坐标系下的坐标TN；
根据所述地理坐标系N到载机坐标系B的旋转
Figure FDA0002813489950000013
所述摄像机坐标系C到载机坐标系B的旋转
Figure FDA0002813489950000014
所述合作目标在导航坐标系下的坐标TN和所述合作目标在摄像机坐标系下的坐标TC，确定吊舱理论方位角和吊舱理论高低角；
获取合作目标下吊舱实际方位角和吊舱实际高低角，分别记为第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角；
将所述吊舱理论方位角和吊舱理论高低角分别与所述第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角相应作差，得到吊舱方位角误差和吊舱高低角误差；
获取待测目标下吊舱实际方位角和吊舱实际高低角，分别记为第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角；
将所述吊舱方位角误差和所述吊舱高低角误差分别与所述第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角相应相加，得到补偿吊舱方位角和补偿吊舱高低角；
根据补偿后的吊舱方位角和吊舱高低角，采用目标单点定位算法确定tk-1时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure FDA0002813489950000021
和tk时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure FDA0002813489950000022
k＝1,2,3...；
根据tk-1时刻待测目标的坐标
Figure FDA0002813489950000023
和tk时刻待测目标的坐标
Figure FDA0002813489950000024
确定tk-1时刻待测目标的速度；
根据所述tk-1时刻待测目标的速度和所述tk-1时刻待测目标的坐标
Figure FDA0002813489950000025
确定tk-1时刻待测目标的状态Xk-1，所述待测目标的状态包括待测目标的位置和待测目标的速度；
根据所述tk-1时刻待测目标的状态Xk-1，利用卡尔曼滤波方法对tk时刻待测目标的状态进行估计，得到tk时刻待测目标的估计状态
Figure FDA0002813489950000026
根据上一时刻待测目标的估计状态，利用卡尔曼滤波方法对下一时刻的状态进行估计，实现目标定位。
2.根据权利要求1所述的机载光电吊舱有源目标定位方法，其特征在于，所述根据上一时刻待测目标的估计状态，利用卡尔曼滤波方法对下一时刻的状态进行估计，具体包括：
根据所述tk时刻待测目标的估计状态
Figure FDA0002813489950000027
对tk+1时刻待测目标的状态进行预测，得到tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure FDA0002813489950000028
获取tk时刻的协方差Pk；
根据所述tk时刻的协方差Pk对tk+1时刻的协方差进行预测，确定tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k；
获取tk+1时刻的测量矩阵Hk+1；
根据所述tk+1时刻的测量矩阵、所述tk时刻的协方差Pk和所述tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k，确定tk+1时刻的滤波增益Yk+1；
根据所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1、所述tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure FDA0002813489950000029
和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻待测目标的估计状态
Figure FDA00028134899500000210
3.根据权利要求2所述的机载光电吊舱有源目标定位方法，其特征在于，所述根据所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1、所述tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure FDA0002813489950000031
和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻待测目标的估计状态
Figure FDA0002813489950000032
步骤之后还包括：
根据所述tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k、所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻的协方差Pk+1。
4.一种机载光电吊舱有源目标定位系统，所述光电吊舱安装于无人机上，利用所述无人机对目标进行监测，并将监测数据发送至地面监控中心，其特征在于，所述地面监控中心通过所述监测数据对所述目标进行位置解算，所述目标定位系统包括：
经纬度获取模块，用于确定一个合作目标点，并获取所述合作目标点的经纬度；
补偿模块，用于根据所述合作目标点的经纬度对后续待测目标定位过程中的吊舱方位角和吊舱高低角进行补偿；
所述补偿模块具体包括：
无人机经纬度和无人机姿态角获取单元，用于根据所述合作目标点确定无人机校飞路线，并在指定测量点对所述合作目标点进行观测，获取无人机经纬度和无人机姿态角；
旋转确定单元，用于根据所述无人机经纬度和所述无人机姿态角，确定地理坐标系N到载机坐标系B的旋转
Figure FDA0002813489950000033
和摄像机坐标系C到载机坐标系B的旋转
Figure FDA0002813489950000034
数据获取单元，用于获取合作目标在摄像机坐标系下的坐标TC、机载光电平台视轴方位角和机载光电平台视轴高低角；
合作目标坐标确定单元，用于根据所述机载光电平台视轴方位角和所述机载光电平台视轴高低角确定合作目标在导航坐标系下的坐标TN；
吊舱理论方位角和吊舱理论高低角确定单元，用于根据所述地理坐标系N到载机坐标系B的旋转
Figure FDA0002813489950000035
所述摄像机坐标系C到载机坐标系B的旋转
Figure FDA0002813489950000036
所述合作目标在导航坐标系下的坐标TN和所述合作目标在摄像机坐标系下的坐标TC，确定吊舱理论方位角和吊舱理论高低角；
第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角获取单元，用于获取合作目标下吊舱实际方位角和吊舱实际高低角，分别记为第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角；
吊舱方位角误差和吊舱高低角误差确定单元，用于将所述吊舱理论方位角和吊舱理论高低角分别与所述第一吊舱实际方位角和第一吊舱实际高低角相应作差，得到吊舱方位角误差和吊舱高低角误差；
第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角获取单元，用于获取待测目标下吊舱实际方位角和吊舱实际高低角，分别记为第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角；
补偿吊舱方位角和补偿吊舱高低角确定单元，用于将所述吊舱方位角误差和所述吊舱高低角误差分别与所述第二吊舱实际方位角和第二吊舱实际高低角相应相加，得到补偿吊舱方位角和补偿吊舱高低角；
待测目标坐标确定模块，用于根据补偿后的吊舱方位角和吊舱高低角，采用目标单点定位算法确定tk-1时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure FDA0002813489950000041
和tk时刻待测目标在ECEF坐标系下的坐标
Figure FDA0002813489950000042
k＝1,2,3…；
待测目标速度确定模块，用于根据tk-1时刻待测目标的坐标
Figure FDA0002813489950000043
和tk时刻待测目标的坐标
Figure FDA0002813489950000044
确定tk-1时刻待测目标的速度；
待测目标状态确定模块，用于根据所述tk-1时刻待测目标的速度和所述tk-1时刻待测目标的坐标
Figure FDA0002813489950000045
确定tk-1时刻待测目标的状态Xk-1，所述待测目标的状态包括待测目标的位置和待测目标的速度；
目标定位模块，用于根据所述tk-1时刻待测目标的状态Xk-1，利用卡尔曼滤波方法对tk时刻待测目标的状态进行估计，得到tk时刻待测目标的估计状态
Figure FDA0002813489950000046
根据上一时刻待测目标的估计状态，利用卡尔曼滤波方法对下一时刻的状态进行估计，实现目标定位。
5.根据权利要求4所述的机载光电吊舱有源目标定位系统，其特征在于，目标定位模块，具体包括：
待测目标状态预测单元，用于根据所述tk时刻待测目标的估计状态
Figure FDA0002813489950000051
对tk+1时刻待测目标的状态进行预测，得到tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure FDA0002813489950000052
协方差获取单元，用于获取tk时刻的协方差Pk；
协方差预测单元，用于根据所述tk时刻的协方差Pk对tk+1时刻的协方差进行预测，确定tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k；
测量矩阵获取单元，用于获取tk+1时刻的测量矩阵Hk+1；
滤波增益确定单元，用于根据所述tk+1时刻的测量矩阵、所述tk时刻的协方差Pk和所述tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k，确定tk+1时刻的滤波增益Yk+1；
根据所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1、所述tk+1时刻待测目标的预测状态
Figure FDA0002813489950000053
和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻待测目标的估计状态
Figure FDA0002813489950000054
6.根据权利要求5所述的机载光电吊舱有源目标定位系统，其特征在于，所述目标定位模块还包括：
协方差确定单元，用于根据所述tk+1时刻的预测协方差Pk+1/k、所述tk+1时刻的滤波增益Yk+1和所述tk+1时刻的测量矩阵Hk+1，确定tk+1时刻的协方差Pk+1。
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